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1、开关电源功放技术的优势音频技术人员一直都在期盼一种重量轻，热量低，低电流低功耗的功率放大 器。本文将介绍开关电源供电和开关电源功率放大器，这可能就是他们所追求的 答案。与常规的功放电源相比，开关电源具有体积小，重量轻的优势。而相比于常 规的模拟功放，开关电源功放的效率高，发热低，功耗低；此外，由于使用紧凑 的电路和更小的散热器，开关电源功放的质量更轻，体积更小。开关电源通过晶体管开关和其它元件将交流电转化成直流电。开关电源功放 通过高频率地通断晶体管开关实现音频信号的放大。人们通常把开关电源供电的传统功放称为“开关电源功放”或“数字功放”。 而通过开关电源实现音频放大的功率放大器同样被称为“开
2、关电源功放”或”“数 字功放”. 所以很难讲你所买到的功放是前者还是后者，只有查看产品说明书才 能加以辨别。为了归纳二者之间的区别，我们要了解一下各自的工作原理。开关电源供电经验告诉我们，大功率功放一般都很沉重，其中很重要的一个原因要归咎于 功放内部的电源变压器的铁芯，而变压器则是供电电源的必备器件。为了避免交 流电的低频率（50Hz或60Hz）引起的铁芯饱和，变压器就要做得很大很重。这 种特点又导致在低频产生细微的感抗。假如民用交流电的频率为数百 KHz, 那么 更小更轻的变压器就足以实现变压，并且不会产生铁芯饱和。这样功放的重量就 得以减轻。开关电源就是首先把电源频率从50/60Hz转化到
3、100 kHz,这样就可 以采用小型变压器，还可以采用更小的滤波电容器。 见图一，电流方向为从左至右：1、将60Hz的交流电源接入开关电源；2、开关电源对输入电源进行整流和滤波，并将交流电转化为直流电（这与所有 的交流转直流电源的原理一样）。3、从直流输出接入晶体管开关，两个晶体管开关以极高的频率交替通断，从而 把直流电压转换为脉冲电压，这样就可以有效地产生高频率的电流。也就是 说，晶体管开关将直流电转化成高频的交流方波。4、晶体管开关后是一个轻型的隔离变压器。方波电流（脉冲电流）通过变压器 并产生电磁感应。5、最后，再通过另一个 AC/DC 转换电路对脉冲电流进行整流和滤波，并未功放电路提供
4、直流电。Figure 1: Block diagram of a typical switching power supply. Click to enlarge图一一个控制电路（图中未显示）监测变压器的输出电压，并可对开关电路进行 实时调整从而控制最终的直流输出电压。不难看出，采用开关电源供电要比传统的电源供电更加复杂。而这种供电方 式的好处就在于它具有极高的效率。就是说，只有很少的能量以热能形式浪费掉， 大部分的交流输入功率都被转换为功放的输出功率。这是如何实现的呢？有欧姆 定律，我们知道 U*I=P. 如果一个设备的电压或电流为零，其功率也为零。开关 晶体管处于断开状态时，电路中的电流为
5、零；处于通路状态时，产生的电压为零， 因此产生的热量很小，电源的供电效率很高。开关功放，而非线性功放我们已经了解了功放的开关电源供电。现在我们来看看开关式功放是如何处 理信号的。仅仅在前些年，所有的演出用的功放都是线性功放而不是开关功放。 我们可以把线性功放叫做“模拟功放”，把开关功放叫做“数字功放”，尽管这种 说法不准确。模拟功放的输出*好比一个可变电阻，通过输入音频信号将交流电源调制 成强电流以推动扬声器发声。而在开关功放中，输入信号通过一个脉冲带宽调制 （PWM ）的过程，对输出设备产生的高频矩形波的带宽进行调制。用一个低通电 路将模拟矩形波中的高频部分切除，得到一个经放大的模拟信号驱动
6、扬声器。在此方法中（见图 2），采用一个高速比较仪将高频三角波和输入音频信号 进行对比。输出一系列的脉冲信号，脉冲信号的带宽随输入信号的振幅和频率变 化。信号从比较仪流入一个开关控制器，并驱动一个大功率开关，对比较仪的 PWM 信号进行放大。经放大的脉冲信号通过一个低通滤波器，得到一个平滑的大 功率信号来驱动负载扬声器。Figure 2: Block diagram of a typical switching power amplifier. Click toenlarge图2脉冲带宽调制（PWM）可以改变开关的占空比。与此不同的是，模数转换器 采用脉冲编码调制（PCM）,每秒数千次的频率生
7、成一串由“1”和“0”组成的代 码。两种方法在系统输出信号时，都将“数字”信号转换成模拟信号。我们前面 已经提到输出晶体管所产生的矩形波将经由输入信号的调制。这些矩形波是由输 出晶体管以一个极高的频率不停通断所产生的。数对晶体管以推挽模式不停开关-双开关中的一个晶体管闭合，则另外一 个断开，反之亦然。这就是丁类功放的工作方式，而甲类、乙类和丙类功放采用 更复杂的开关来产生矩形波。丁类功放的设计的诞生已经约有50年了，但是直 到近几年才得到普及，因为功率处理能力的提高和现代输出晶体管在速度和效率 上的改进。如前所述，当晶体管开关闭合或断开时，其电流或电压为零。此时，电流乘 以电压，即功率的理论值
8、为零，因此以热能浪费的的能量也为零。就是说开关功 放的效率在理论上接近 100%。线性功放则完全是另外一回事。大多数情况下， 晶体管两端施以电压才会有电流通过，结果电能转化为热能浪费掉，这部分能量 并不能转化为信号来驱动扬声器。 一个典型的线性功放的效率可能只有 30%。为了防止攻防过热，必须使用散热器和风扇来散热。而开关功放不需要散热，效 率可高达 80-90%。功放的效率是不可能达到 100%的，因为总有一部分电能在输 入阶段被消耗，并不是从电源插座输出的所有交流电源都被用来驱动所连接的负 载扬声器。即便如此，开关功放还是可以被认为是“绿色功放”，因为要达到同 样的输出功率，器消耗的能量要
9、比传统功放少。还有其它的方式也可以提高功放 效率，比如根据输入信号的变化进行“追踪”供电。理想与现实对于开关电源功放，“数字”这个词只是口号而远非现实。开关电源功放产 生的脉冲带宽调制信号事实上是一种可以被过滤的模拟波形。称其位“数字”不 过是因为其两种电压状态。并不着音乐信号被转换成数字信号。很多用户被这些术语所迷惑。“数字”功放并不能像CD机那样产生数字信号源，而只是在其供电电源或输出*中使用开关晶体管。目前的此类产品部分使用开关电源的功放有 QSC CX, DCA, OLX2, Powerlight 3 系列； Crown CDi, DSi, XTi, CTs, and I-Tech 系列, 以及 Lab.gruppen C， FP+ 系 列和 Yamaha P 系列 II. 部分开关功放产品有 Crown I-Tech HD 系列.有了开关电源功放和开关功放，我们不必再费九牛二虎之力去推功放机柜， 节省了力气又节省了能源！
